用“算法”守護草地資源

◎ 王自堃

結(jié)合“三調(diào)”成果，新疆借助“遙感云腦”探索草地資源調(diào)查監(jiān)測新技術(shù)——

草地作為新疆最大的植被類型，是新疆自然資源陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，既是我國邊疆地區(qū)主要的生態(tài)屏障，也是新疆各民族賴以生存的主要生產(chǎn)資料。

據(jù)了解，新疆草原管理數(shù)據(jù)一直沿用的是20 世紀80 年代在1∶10萬和1∶20 萬地形圖上勾繪的調(diào)查成果。30 多年來，新疆草地資源已發(fā)生了很大變化，草地資源底數(shù)不清、動態(tài)變化掌握不及時、調(diào)查技術(shù)手段落后等問題亟待解決。

隨著機構(gòu)改革，為盡快實現(xiàn)新疆草地資源的統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測與評價，2020 至2021 年，新疆維吾爾自治區(qū)自然資源部門選取3 個重點牧區(qū)縣——阿勒泰地區(qū)富蘊縣、伊犁哈薩克自治州新源縣和塔城地區(qū)托里縣作為試點區(qū)，借助北京數(shù)慧時空信息技術(shù)有限公司自主研發(fā)的“遙感云腦”平臺，采用遙感反演、深度學(xué)習和智能解譯等新型算法技術(shù)，連續(xù)兩年開展草地資源專項調(diào)查監(jiān)測與“三調(diào)”草地數(shù)據(jù)銜接分析研究，逐步建立了新疆草地資源調(diào)查監(jiān)測云平臺。

從“理論車間”走向“產(chǎn)品流水線”

在高寒、荒漠區(qū)域以及地形復(fù)雜的山區(qū)復(fù)合草地，由于人煙稀少、自然條件惡劣，往往缺乏準確及時有效的監(jiān)測技術(shù)手段。

新疆維吾爾自治區(qū)自然資源林草數(shù)據(jù)銜接分析項目是構(gòu)建林草資源調(diào)查監(jiān)測體系的一次探索與實踐，旨在借助遙感和人工智能等先進技術(shù)，實現(xiàn)3 個目標：基于人工智能驅(qū)動的遙感解譯，快速、準確地獲取林草資源的面積、分布、結(jié)構(gòu)等信息；基于遙感反演和評估模型，評估草原綜合植被蓋度、生物量及合理載畜量；開展林草資源數(shù)據(jù)與“三調(diào)”數(shù)據(jù)的銜接分析研究。

新疆自然資源廳調(diào)查監(jiān)測處處長李超介紹，傳統(tǒng)草地監(jiān)測多采用地面調(diào)查，通過一些樣點調(diào)查，按照統(tǒng)計學(xué)方法反推出草地數(shù)據(jù)。如今，隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，影像分辨率、空間分辨率和光譜分辨率的不斷提高，為長時間序列和大區(qū)域尺度的草地監(jiān)測提供了有力的技術(shù)支持。調(diào)查人員可以利用影像光譜的顏色、紋理、形狀等特征與實際的地面植被建立對照模型。

“我們看到的植物是綠色的，是因為大部分的紅光和藍光被吸收了，只反射了綠光。”李超說，利用高光譜遙感數(shù)據(jù)，就可以通過光譜變化的模型，識別出草地的類別，反演植被覆蓋度、地上生物量等指標，從而科學(xué)評估草原綜合植被蓋度、生物量、載畜量等。

該模型是學(xué)術(shù)界從20 世紀七八十年代一直到現(xiàn)在積累形成的，但從理論走向應(yīng)用需要經(jīng)過一個漫長的過程。在實地調(diào)查中，工作人員將地面光譜儀采集的數(shù)值與衛(wèi)星光譜數(shù)據(jù)建立聯(lián)系，同時還要用無人機航拍技術(shù)精確識別地物信息，檢驗相應(yīng)樣地點位草地類型的準確性。“現(xiàn)在相當于把工藝流程和技術(shù)路線確定下來了。”李超說，他們對野外實測樣地數(shù)據(jù)、影像光譜數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)合相關(guān)性分析，最終篩選出合適的植被指數(shù)建立反演模型。這意味著，該模型從理論走向了可以量化生產(chǎn)的工藝。

建立草地類型解譯標志庫和光譜庫

新疆林草數(shù)據(jù)銜接分析項目通過對試點區(qū)域約6 萬平方千米草地資源進行調(diào)查監(jiān)測，充分借鑒草地分類行業(yè)標準，結(jié)合現(xiàn)行自然資源管理需求，將試點區(qū)域草地資源劃分為溫性荒漠、溫性草原等9 個類別，解譯總體精度達到92%。

李超介紹，該項目采用空間信息、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，結(jié)合深度學(xué)習、知識圖譜等方式，打造了自動化的遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理引擎，構(gòu)建了智能化的深度學(xué)習解譯算法框架，實現(xiàn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、樣本管理、模型訓(xùn)練、影像解譯的全流程處理。

“只需花兩個月到野外采集樣本和驗證，剩下的全是自動化生產(chǎn)計算出來的。”李超說，野外采樣工作一般在7 月至8 月開展，這是新疆草原植被生長最旺盛的時期，具有較豐富的光譜信息，可通過光譜特征和解譯標志自動化判讀，結(jié)果客觀，不易受人為因素干擾。

通過建立不同草地類型解譯標志庫和光譜庫，項目初步形成了草地資源監(jiān)測影像解譯規(guī)范和大數(shù)據(jù)處理流程，實現(xiàn)無人機航測、衛(wèi)星遙感影像與地面監(jiān)測的“天、空、地”數(shù)據(jù)邏輯關(guān)聯(lián)。

目前，項目已順利通過省級驗收，并得到新疆維吾爾自治區(qū)林草主管部門和行業(yè)專家的高度認可。技術(shù)路線、計算模型和調(diào)查監(jiān)測成果得到了中國科學(xué)院、北京林業(yè)大學(xué)、國家林業(yè)和草原局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院等單位專家學(xué)者的肯定。

與“三調(diào)”數(shù)據(jù)緊密銜接

新疆林草數(shù)據(jù)銜接分析項目成果是基于16 米分辨率的4 波段多光譜影像，經(jīng)深度學(xué)習自動解譯提取的結(jié)果。而“三調(diào)”成果是基于2 米或優(yōu)于2 米分辨率的3 波段RGB（顏色系統(tǒng)）影像，人工目視解譯矢量化的結(jié)果。

據(jù)介紹，“三調(diào)”成果數(shù)據(jù)的優(yōu)勢是以高空間分辨率遙感影像為基礎(chǔ)，影像底圖紋理清晰、可讀性強，并經(jīng)人工判別舉證，成果準確性高。因此，為做好林草資源數(shù)據(jù)與“三調(diào)”數(shù)據(jù)的有效銜接，對于調(diào)查提取中的疑似圖斑，工作人員要檢索對應(yīng)區(qū)域的高分辨率（2 米或優(yōu)于2 米）遙感影像，充分結(jié)合多光譜分辨率、高空間分辨率的優(yōu)勢進行人工補充判讀。如無法通過多光譜信息及人工核查判定，則采用外業(yè)實地核查，確認地類屬性，保證數(shù)據(jù)成果的準確性與真實性。

通過兩年來對3 縣試點的研究，新疆林草數(shù)據(jù)銜接分析項目初步形成了可復(fù)制、可推廣的草地資源調(diào)查監(jiān)測技術(shù)方法與工作流程，推進了草地資源調(diào)查監(jiān)測方法的革新，解決了傳統(tǒng)監(jiān)測受人員和技術(shù)限制只能“以點推面”的根本問題，提升了調(diào)查監(jiān)測的自動化水平，充分發(fā)揮遙感監(jiān)測技術(shù)優(yōu)勢，快速、客觀地反映大范圍、長時間序列的草地資源情況，在節(jié)省大量人力、物力及時間成本的同時，有效提高了監(jiān)測成果的科學(xué)性和準確性。

據(jù)悉，為進一步推進草地資源調(diào)查監(jiān)測工作，新疆維吾爾自治區(qū)自然資源廳與林業(yè)和草原局計劃2022 年共同開展16 個縣市的草地資源專項調(diào)查監(jiān)測，在自然資源統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測技術(shù)體系的框架下，按照統(tǒng)一標準、統(tǒng)一技術(shù)路線，以“三調(diào)”數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將草地資源專項調(diào)查監(jiān)測成果，有序納入國土調(diào)查年度變更工作，實現(xiàn)自然資源專項調(diào)查監(jiān)測與基礎(chǔ)調(diào)查成果的聯(lián)動更新，為后續(xù)全疆全面開展草地資源專項調(diào)查監(jiān)測奠定基礎(chǔ)，最終實現(xiàn)草地資源的數(shù)據(jù)統(tǒng)一，支撐草原的科學(xué)管理與保護。